随着科技的进步与时代的发展,一个开发海洋的新时代己经来临。人类在海洋工程的生产建设活动日益频繁,吹填造陆、兴建码头、疏浚航道、筹建浅海核电站、勘探开发海洋油气、规模化布列海上风电场、延绵不断地铺设海底电缆,踵趾相接的海洋建设全面铺开,都需要一个安全的地质环境。由于海底地质情况复杂,以及海水和海水动力的作用,常伴随有复杂的浅海地质灾害,多年来,由于海洋地质灾害勘探技术的限制,对灾害现象认识不清,由此引发的工程失败给人类带来了不可估量的惨痛损失。发现、认识、规避海洋地质灾害风险,已经是海洋工程建设一个不容绕开的难题。海底区域相比陆域,地形复杂、沉积物多变,为建设带来较大的困难。采用先进的地球物理技术,对浅海区域沉积物分布规律、地层分布规律进行探测,将为海底工程建设提供重要的指导。勘探海洋地质灾害,减少海上工程损失,需要对浅海环境进行精细探测与评价,对海底已有建筑进行密切的监测。可见,研究浅海环境的探测方法与技术具有重要意义。在海洋的地球物理探测中,地震勘探是主要探测手段,该方法成本低廉,效率更高。地震波数值模拟有助于认识复杂地质构造的现象和提高探测数据的解释,是地震反演算法的基础。本论文针对海洋地质灾害问题,如滑坡、浅层气、古河道、浅断层等一系列影响近岸工程施工及其安全维护的典型灾害现象进行了地震波场模拟与应用研究,为浅海地震勘探数据分析与解释提供了基础。海底表层覆盖砂、碎石、淤泥土、生物碎屑等非固结沉积物,不是完全弹性介质,具备粘弹介质属性。地震波在其中传播时,海底沉积物与地层的粘滞性会使地震波能量产生较大损耗,使其振幅衰减和子波中心频率逐渐降低,使得探测信号的分辨率和信噪比降低,较难获得高分辨率的探测图像。进行海底粘弹介质的地震波正演模拟,为分析地震波传播特性,具有重要意义。论文从粘弹性介质的基本概念入手,分析了地震波在粘弹性介质中的吸收和衰减规律。讨论了一维垂向粘弹介质内平面波的数值模拟,采用了一种计算垂向粘弹性介质里的平面波响应的时间-空间交错网格有限差分FDTD算法,可用来估算存在垂向速度变化模型的平面波传播参数响应值。通过模拟计算,将视品质因子Q和视速度与实测的数值对比,证实了该算法在粘弹性模拟中的精确性,证明了在10~40Hz的相关频率范围内,即使是强衰减介质,该算法也能取得良好的计算结果。在此基础上,用这种算法计算海底水平层状介质的模型,得到了不同层状介质模型下的一维地震波场响应,实现了海底粘弹介质的一维地震波场模拟。有限差分法虽然具有较高的空间域分辨率、简单、直接、便于实现的优点,但是也有一些固有的缺陷,如累计误差、数值频散、数值各向异性等。论文从粘弹性理论入手研究地震波的吸收和衰减,将(高阶网格)有限差分与通量传输校正(FCT)相结合,实现了适合海上勘探的粘弹介质波动方程的二维数值模拟。我们通过建立一个简单的三层水平层状粘弹性介质模型,验证了FCT有限差分正演算法的正确性。然后,我们对一个凹陷模型进行了数值模拟试验,从波场快照和单炮记录图中可以看出,波场信息清晰,如绕射波、侧面波等等,验证了算法对复杂模型的适应性。通过建立一个盐丘模型,来模拟二维海底粘弹介质,考虑到数值频散,我们选用了一个有明显陷波频率的高频震源,从数值模拟得到的单炮记录可以看出,地震波的波场信息清晰,证明了FCT算法对海底粘弹介质数值模拟是有效的。而且,从其波场快照可以看出,FCT四阶精度有限差分经过校正后,频散现象基本上被抑制了,因此,FCT有限差分算法模拟海底粘弹介质是合适的。论文还简要探讨了三维各向同性介质粘弹性波方程数值模拟。中国拥有辽阔的海洋领土和绵长的海岸线,海洋地质情况复杂,灾害类型较多。能对海洋工程产生直接危害或者对海洋工程的施工有一定影响的灾害地质因素目前发现的就有20多种,其危害性最大的及最常见的有海底断层、浅层高压气、海底滑坡、古河道等,集中对这些典型地质灾害开展专项研究,将大幅降低浅海工程风险,有利于全面认识地质灾害。前人研究主要集中在海洋地质灾害的特征、成因、危害研究上,缺乏针对地质灾害现象的地球物理响应方面的讨论,因此,我们采用FCT有限差分算法应用于浅海地质灾害数值模拟中,对海底断层、海底滑坡、海底浅层天然气、海底古河道等典型地质灾害现象进行了地震波场二维正演模拟。通过数值模拟发现,地质灾害体形状、间距和分布特征、充填物或储存层的变化都将会影响探测效果。例如,海底浅层气的波场特征与储存层有关,当储存层充填物不一样时,地震波数值模拟能很好地描述海底浅层气的形态,不同储存层充填物时,地震波反射形态是一样的,但是,充填物与围岩的物性差异越大,反射振幅强度越大,差异越小,振幅越小。当海底浅层气储存层与围岩分界面的过渡带为渐变地质情况时,浅层气储存层的强反射同相轴振幅降低了很多,形成了一个反射过渡带,但是,浅层气的形态与边界突变时候没有变化。另外,如果目标体倾斜,采用共偏移距观测方式时,模拟断层的同相轴倾角会变小,断层的深度也会出现差异,模拟的目标体波场响应深度要大于实际断层深度,所以,在野外实际探测时,进行适当的数据偏移处理来使偏移归位是必须的。通过对典型地质灾害的模拟,总结出了每种地质灾害的详细识别标志。这些模拟研究扩大了地震成像的有效信息量,增强了对研究区域海洋地质灾害地质结构与物性真实分布的认识,提高了后期反演结果的分辨率和可靠性。最后,我们将这些方法应用于近岸工程的勘察实践中,应用单、多道地震,以及多波束测深、侧扫声呐和浅地层剖面等现阶段主流海洋地球物理探测技术,对典型地质灾害进行探测,分析总结了多种声学探测技术方法,指出了其适用范围和条件,以及实际应用过程中的注意事项。例如,地层剖面仪能够探测海底以下沉积物性质和地层结构特征,穿透深度能达几十米至几百米,其纵向和横向的分辨率可达0.2米。得出了一些有益的结论,为海洋地质灾害勘察提供了重要的科学研究手段,有利于提高工程勘察效率、降低勘察成本,对海洋地质灾害研究具有重要科学价值。